火星上首次留下中國印跡！有關(guān)祝融號火星車著陸火星的10大問題詳解（2）

問題三：為什么著陸過程是“恐怖九分鐘”？

火星著陸持續(xù)時(shí)間受一系列因素影響，如沖入火星大氣的速度、角度、地點(diǎn)和時(shí)間，著陸地點(diǎn)的地形地貌特點(diǎn)（尤其是高度），著陸期間的氣象條件，具體著陸技術(shù)方案和細(xì)節(jié)等，總體著陸時(shí)間在7-10分鐘不等。祝融號選擇的著陸區(qū)是高度較低的烏托邦平原，總著陸時(shí)間在9分鐘左右，也被叫做“恐怖九分鐘”。

這是因?yàn)椋夯鹦请m是近鄰，但與地球的距離在5500萬千米到4億千米之間變化，遠(yuǎn)超月球。這不僅意味著一次火星探測任務(wù)動輒需要飛行7-11個(gè)月，還意味著從地球上發(fā)出信號與火星通信，至少需要6-45分鐘的雙向通信時(shí)延?；鹦谴髿庀”?，引力較小，整體著陸過程僅持續(xù)數(shù)分鐘，期間根本不可能在地球上進(jìn)行控制，這個(gè)過程必須依靠著陸組合體獨(dú)立自主完成。

此外，火星半徑為3400千米左右，約為地球的一半，表面引力約為地球的38%，表面空氣密度不足地球海平面的1%水平，但這并不意味著著陸火星難度低。實(shí)際上，著陸火星的困難程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了月球。雖然大氣可以給著陸巡視組合體帶來一定的氣動減速能力，但密度太低不可能減速到理想的著陸狀態(tài)，最后一定需要反沖火箭工作懸停降落。為應(yīng)對不可避免的大氣沖擊、摩擦和積累的熱量，著陸巡視組合體還必須增加氣動、隔熱、避震等防護(hù)結(jié)構(gòu)，重量、復(fù)雜度和成本等大幅度上升，風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)也大大增加了。

因此，當(dāng)?shù)厍蛏系暮教烊送ㄟ^精確計(jì)算得知祝融號正在火星獨(dú)立完成各項(xiàng)著陸操作、卻不得不耐心等待信號回傳時(shí)，這種焦急的體驗(yàn)不可謂不“恐怖”。

問題四：著陸期間，祝融號到底經(jīng)歷了什么？

在最終確認(rèn)開始著陸指令后，著陸巡視組合體會與環(huán)繞器分離，開啟獨(dú)立著陸之旅。期間姿態(tài)控制發(fā)動機(jī)工作，嚴(yán)格控制著陸軌跡角度與方向。如果沖進(jìn)火星的角度過大就會超過隔熱層能忍受的極限，如果過小任務(wù)就會像打水漂一般滑入深空。

沖入火星大氣后，5千米/秒級別的速度依然導(dǎo)致稀薄的大氣沖擊和摩擦產(chǎn)生了巨大的震動和熱量，足以融化大部分金屬。通過隔熱大底和多種散熱手段，著陸巡視組合體的溫度依然能保持常溫。期間速度驟降到數(shù)百米/秒，巨大的降落傘在火星上空約10千米的高度打開。

隨著速度的迅速降低，已經(jīng)被燒蝕得不成樣子的隔熱大底沒有存在的必要了，對這一功臣的“回報(bào)”是：它將被拋離并直接脫落在火星表面。此時(shí)，暴露出來的底部雷達(dá)和工程相機(jī)等立即開始急速工作，緊盯目標(biāo)著陸區(qū)域，分析與預(yù)計(jì)的匹配程度，讓控制導(dǎo)航計(jì)算機(jī)快速解算最佳著陸方案。初步選定期間，速度已經(jīng)降至100米/秒以內(nèi)，降落傘功成身退，此時(shí)才是大戲上演的時(shí)刻。

著陸巡視組合體依靠底部強(qiáng)大的反沖火箭工作開始減速，各種傳感器進(jìn)一步仔細(xì)檢查地面情況，避免亂石堆、斜坡、溝谷的特殊地貌，找尋最佳著陸角度和姿勢。隨著速度進(jìn)一步降低至懸停避障狀態(tài)，著陸巡視組合體近距離火星表面數(shù)米高。最后階段火箭停止工作，盡力減少火箭工作揚(yáng)起沙塵等因素對它們的影響，著陸巡視組合體成功降落火星表面。

眾多復(fù)雜的動作，猶如在火星獨(dú)自“刀尖上起舞”，稍有不慎便會任務(wù)失敗，難度可想而知，了不起的成就！

問題五：祝融號怎么獲取能量？

祝融號是天問一號全程呵護(hù)的“掌上明珠”。在飛行、環(huán)繞和著陸期間，環(huán)繞器和著陸器全程為它保駕護(hù)航，提供重要的通信、能量和動力服務(wù)。但是抵達(dá)火星表面后，著陸器將放出導(dǎo)軌，祝融號必須開機(jī)，在經(jīng)歷數(shù)天能量積累后，最終走出“溫室”、依靠自身能力獨(dú)立生存。

祝融號依靠太陽能進(jìn)行工作。由于火星距離太陽更遠(yuǎn)，這里的太陽能密度僅為地球附近的4成左右，對太陽能帆板收集能量的要求極高。它使用了4片巨大的由三結(jié)砷化鎵構(gòu)成的“蝴蝶型”太陽能電池陣列，確保足夠能量供應(yīng)。同時(shí)，火星上動輒有大規(guī)模的沙塵暴，會對太陽能收集效率產(chǎn)生巨大影響，甚至直接影響火星車工作壽命。通過防塵涂層技術(shù)，祝融號表面的抗沙塵能力大幅提高。但對于曠日持久的全球沙塵暴，則只能是“我打不起，但躲得起”，進(jìn)入休眠狀態(tài)，先躲過“風(fēng)頭”再說。

火星表面空氣極其稀薄，保溫效應(yīng)有限，直接導(dǎo)致晝夜溫差過大，白天可達(dá)20攝氏度、夜晚卻能低于零下100攝氏度，這對于不少儀器將是巨大挑戰(zhàn)。一方面，祝融號必須在夜晚“熄火”休眠；另一方面，它也采用了納米級氣凝膠和正十一烷集熱窗等溫控技術(shù)，確保安全無虞度過漫漫長夜。

問題六：祝融號怎么運(yùn)動？

會動，是火星車的核心功能。

但火星上并不是一片“坦途”，隨機(jī)出現(xiàn)的尖銳砂石會輕易破壞火星車的動力系統(tǒng)，且這些傷害會逐漸累積，對火星車造成巨大威脅。例如“勇氣號”火星車2009年陷入沙坑，導(dǎo)致輪子出現(xiàn)故障，無法轉(zhuǎn)動，一直被困到任務(wù)結(jié)束。目前正在運(yùn)轉(zhuǎn)的“好奇號”火星車，可能導(dǎo)致任務(wù)終止的最大風(fēng)險(xiǎn)之一就是逐漸殘破的輪子。

祝融號的機(jī)身被設(shè)計(jì)成了可升降的主動懸架結(jié)構(gòu)，能夠自由轉(zhuǎn)向，六個(gè)輪子均獨(dú)立驅(qū)動，多輪懸空的條件下依然能自由移動。在極端地形中，祝融號還能重新設(shè)計(jì)輪子驅(qū)動方案以實(shí)現(xiàn)“蠕動”、“蟹行”和“踮腳”等復(fù)雜機(jī)械操作，成為一輛不折不扣的“火星六驅(qū)越野車”，以提高駕駛安全性，可以說這將成為祝融號在火星馳騁的 “風(fēng)火輪”。

不過，祝融號的核心使命是科研，任何機(jī)動性能都不如“行車交規(guī)”重要。首先，嚴(yán)格限速，節(jié)約寶貴的太陽能。這個(gè)240千克的大家伙實(shí)際速度僅為厘米/秒級別，連烏龜都跑不過；其次，謹(jǐn)小慎微，“走一步，歇兩步”，經(jīng)常停下來利用地形相機(jī)和避障相機(jī)等詳細(xì)“眼觀八方” ，確認(rèn)安全再出發(fā)；再次，聚精會神。要么認(rèn)真行駛，要么停車讓科學(xué)儀器開啟工作，聚精會神，絕不“邊走邊玩”；最后，真的發(fā)生緊急情況陷入困境后，航天人也會在地球?qū)嶒?yàn)室利用火星車的“雙胞胎”備份還原真實(shí)火星駕駛場景，設(shè)計(jì)多種解決方案，幫助它脫困。

不存在絕對安全的車，只存在絕對安全的交規(guī)。“行車不規(guī)范，親人兩行淚”，即使在火星，祝融號也牢記交規(guī)。